Недавние усилия, направленные на разработку более совершенных технологий аккумуляторов, в значительной степени были сосредоточены на разработке новых катодных материалов. Это связано с тем, что существующие катоды не работают хорошо при высоких напряжениях и могут способствовать быстрой потере емкости аккумулятора.

Слоистые оксидные катоды, класс катодных материалов со слоистой кристаллической структурой, оказались особенно перспективными для разработки батарей следующего поколения. Первоначальные результаты показывают, что эти материалы могут улучшить производительность литий-ионных батарей, а также снизить затраты на их изготовление и ограничить их воздействие на окружающую среду.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории недавно разработали новые сверхстабильные катоды NMC, тип слоистых оксидных катодов, состоящих из никеля (Ni), марганца (Mn) и кобальта (Co). Эти недавно разработанные материалы, представленные в статье в Nature Energy , как было обнаружено, обеспечивают высокую производительность литий-ионных аккумуляторов без значительных потерь емкости.

«Для дальнейшего совершенствования катодов NMC наша команда разработала серию катодов NMC с градиентом концентрации, чтобы оптимально использовать полезные характеристики Ni, Mn и Co», — рассказал Tech Xplore доктор Халил Амин, выдающийся научный сотрудник Аргоннского университета и ведущий автор статьи.

«В этом катоде с градиентом концентрации концентрация никеля линейно уменьшается, тогда как концентрация марганца линейно увеличивается от центра к внешнему слою каждой частицы».

Эта конструкция катода с полным градиентом, запатентованная доктором Амином в 2012 году, использует высокую плотность энергии Ni (находящегося в ядре катодов), а также высокую термическую стабильность и длительный срок службы Mn во внешних слоях катода. Примечательно, что эта конструкция уже была лицензирована для различных производителей аккумуляторных технологий и материалов.

«В погоне за более высокой плотностью энергии и более низкой стоимостью аккумуляторов следующего поколения мы прессовали катоды NMC для работы при более высоком напряжении (≥4,5 В), чтобы достичь высокой емкости, которая превышает ограничение по напряжению традиционной слоистой структуры и приводит к быстрой потере емкости», — сказал доктор Амин.

«Кроме того, текущие ограничения поставок кобальта (Co) негативно сказались на коммерческом производстве аккумуляторов и побудили к разработке катодных материалов, которые в меньшей степени зависят от Co».

Чтобы преодолеть ограничения существующих конструкций катодов NMC, доктор Амин и его коллеги приступили к разработке второй обновленной версии своих градиентных катодов. Это второе поколение катодов характеризуется как концентрационными, так и структурно-связанными градиентами, которые в совокупности устраняют недостатки существующих катодов со слоистыми структурами при высоких напряжениях.

Более того, исследователи снизили концентрацию Co в катодах. Это изменение состава может значительно снизить как стоимость производства катодных материалов, так и их воздействие на окружающую среду.

«Предыдущие слоистые катоды страдают от компромисса между емкостью, циклируемостью и безопасностью. Например, увеличение рабочего напряжения может улучшить их емкость, но за счет срока службы», — пояснил доктор Амин. «В результате большинство батарей, используемых в электромобилях, ограничены работой при напряжении ниже 4,3 В, поскольку внутренняя структура имеет тенденцию к деградации при высоких напряжениях, что приводит к сокращению срока службы и высокому риску безопасности».

Новые катоды, представленные в рамках этого недавнего исследования, имеют уникальный состав и конструкцию с двойным градиентом, которые решают проблему потолка напряжения, наблюдаемого в других существующих катодах. Объединив преимущества различных компонентов и структур материалов в одном катоде, команда смогла достичь выдающихся характеристик.

«В деталях, объемная слоистая структура с высоким содержанием Ni способна обеспечить высокую емкость, а структура из каменной соли с поверхностным беспорядком может выдерживать высокое напряжение до 4,7 В без серьезных изменений структуры», — сказал доктор Тунчао Лю, соавтор статьи.

«Таким образом, этот двойной градиентный катод может одновременно достигать высокой емкости и превосходного срока службы при работе при высоких напряжениях (>4,5 В). Кроме того, эта конструкция может снизить использование Co до 1% и максимально расширить его функциональные возможности, а также снизить риск безопасности».

Новые материалы, представленные исследователями, отличаются от традиционных конструкций катодов, которые обычно используют единую структуру и высокие концентрации Co. В первоначальных экспериментах было обнаружено, что новые катоды работают замечательно хорошо, обеспечивая высокую емкость и высоковольтную работу батарей при 4,5 В без каких-либо потерь емкости, а также незначительное снижение емкости при работе до 4,7 В.

«Объединяя высокую плотность энергии слоистой фазы со структурной стабильностью неупорядоченной фазы каменной соли, наша конструкция решает давний компромисс между емкостью, сроком службы и безопасностью», — сказал доктор Амин. «Это нововведение не только повышает общую производительность катода, но и расширяет направления исследований в области проектирования катодных материалов, позволяя создавать новые материалы, которые намного превосходят существующие».

Это недавнее исследование открывает новые возможности для разработки литий-ионных аккумуляторов с более низкими концентрациями Co, которые сохраняют высокую емкость в течение более длительного времени, даже при работе при высоких напряжениях. Более того, катоды, представленные доктором Амином и его коллегами, вскоре могут вдохновить другие исследовательские группы на разработку аналогичных материалов с двухградиентными структурами.

«Следующие шаги нашего исследования будут включать дальнейшую оптимизацию конструкции с двойным градиентом для дальнейшего снижения использования Co и Ni при одновременном повышении плотности энергии и масштабируемости», — сказал доктор Амин. «Мы стремимся исследовать дополнительные составы материалов и структурные модификации, чтобы еще больше раздвинуть границы плотности энергии и стабильности».

В рамках своей будущей работы исследователи также планируют интегрировать свои катоды в полноценные аккумуляторные системы, поскольку это позволит им протестировать их реальные характеристики и оценить их совместимость с существующими компонентами аккумуляторов. Для проведения этих тестов доктор Амин запатентовал свою обновленную конструкцию и инициирует сотрудничество с производителями аккумуляторов.

«В долгосрочной перспективе мы представляем, что наша двухградиентная конструкция вдохновит на создание нового поколения высокопроизводительных, экономически эффективных и устойчивых материалов для аккумуляторов», — добавил доктор Лю. «Снижая зависимость от кобальта и повышая структурную целостность катодов при высоких напряжениях, наша работа может существенно повлиять на разработку аккумуляторов следующего поколения для электромобилей, портативной электроники и сетевых накопителей».

Передовой источник фотонов и Центр наноразмерных материалов в Аргонне (оба являются частью пользовательских объектов Управления науки Министерства энергетики США) и Брукхейвенская национальная лаборатория провели серию экспериментов с использованием рентгеновских, электронных и визуальных методов для изучения характеристик нового катодного материала в состоянии покоя и во время работы.

Эти испытания в совокупности оценили материал на катодном, корпускулярном и атомном уровнях и предоставили полную картину его состава, структуры и характеристик.